Sběrnice a propojení

Níže jsou příklady; jde o principy, různí autoři a výrobci systémů a součástek si pojmenovávají signály trochu jinak.

Tím, že je sběrnice sdílené médium, je třeba přístup k ní řídit.

Řízení může mít povahu:

DMA řadič

Paměťový řadič

Řadič přerušení

Řadič sběrnice

Síťový řadič

Generátor hodinových signálů

Od 80. let snaha výrobců PC o standardizaci čipových sad

Výhody: kompatibilita mezi výrobci, obvodové zjednodušení, vyšší výkon, nižší spotřeba

(PCIe) Sériová sběrnice (obousměrný přenos)

iniciátorem Intel, více: http://www.pcisig.com

SATA, SAS a NVMe určují způsob komunikace s úložištěm.

PCI Express je sběrnice, po které se typicky přenáší NVMe.

M.2 je fyzické provedení modulu a konektoru, nikoli komunikační protokol.

Disk M.2 proto může používat buď SATA/AHCI, nebo PCIe/NVMe; rozhoduje konkrétní modul i slot.

U externího boxu se k rozhraní disku přidá převodník na USB nebo Thunderbolt.

Univerzální sériová sběrnice určená pro propojení počítačů a periferií.

Umožňuje přenos dat a zároveň napájení zařízení pomocí jednoho kabelu.

Podporuje připojení až 127 zařízení.

Plnohodnotně nahradí většinu dříve používaných rozhraní:

Serial port, parallel port, game port, Apple Desktop Bus, PS/2 port i FireWire (IEEE 1394)

USB Type-C je moderním standardizovaným 24-pinovým provedením konektoru a kabeláže USB rozhraní.

Zaveden v roce 2014 s myšlenkou postupně nahradit starší konektory USB A, B, Mini-USB, ale také Lightning (Apple) a Mini-DV (rovněž většinou Apple).

USB Type-C je pouze označením provedení konektoru evt. kabeláže, nikoli samotného protokolu.

Spojuje rychlé datové přenosy, kombinovatelnost s paketovým přenosem video/audio (data + DisplayPort → Thunderbolt) a možnost napájení/dobíjení připojeného zařízení.

Nikoli každý kabel s USB-C koncovkou výše uvedené funkcionality dovoluje.

Oficiální název je USB4, nikoli USB 4 ani USB 4.0.

První specifikaci zveřejnilo USB Implementers Forum v roce 2019; USB4 Version 2.0 zvýšila maximum na 80 Gb/s.

Jedno vysokorychlostní propojení lze dynamicky sdílet mezi USB daty, DisplayPortem a dalšími tunelovanými protokoly.

Zpětná kompatibilita umožňuje připojit starší USB zařízení, avšak jen s jejich vlastnostmi a rychlostí.

příjem dat z měřidel a senzorů fyzikálních veličin (proudu, napětí, teplot, tlaku, vlhkosti,…​)

komunikace se speciálními přenosnými zařízeními (tokeny, klíče, paměťová média)

připojení tiskáren, plotterů

připojení digitálně řízených (NC) strojů

propojení větších výrobních celků (linek)

RS-232 (také sériový port nebo sériová linka) se používá jako komunikační rozhraní zejména mezi počítači a jednoduššími periferními zařízeními, jako jsou myši.

RS-232 nicméně umožňuje vzájemnou sériovou komunikaci dvou zařízení, tzn., bity přenášených dat jsou vysílány postupně za sebou po jednom páru vodičů v každém směru.

RS-232 je tak bezkolizním fyzickým propojením.

RS-422 a RS-485 jsou novějšími modifikacemi původního sériového rozhraní RS-232.

RS-485 umožňuje přenos na maximální vzdálenost až 1200 m.

RS-485 se dá použít na propojení 1 vysílače a až 31 přijímacích zařízení namísto prostého dvoubodového spoje.

RS-422 dovoluje plně duplexní (současnou obousměrnou) komunikaci.

RS-485 využívá dvou vodičů (plus GND) a RS-422 čtyř — pro každý směr jeden pár vodičů.

Zkratka je z Inter-Integrated Circuit ("I-square-C"), vyvinuto u Philips.

Jde o synchronní sběrnici pro nízkorychlostní periferie.

Umožňují na jedné sběrnici až 128 zařízení.

Propojení se děje dvěma obousměrnými signály SDA (data), SCL (hodiny) + napájením (Vdd, GND).

Spol. Atmel (nyní Microchip) označuje fakticky stejnou sběrnici jako TWI (Two Wire Interface).

Datový vodič má pull-up rezistor; řadič i zařízení používají výstupy open-drain a mohou jej pouze stáhnout do nízké úrovně.

Úroveň napětí určují použité součástky, typicky jde o 3,3 nebo 5 V.

Přes název „1-Wire“ je vedle datového vodiče nutné společné uzemnění (GND).

Některá zařízení lze napájet parazitně z datového vodiče; při vyšším odběru nebo delším vedení se používá samostatné napájení.

Komunikace probíhá tak, že řídicí nebo podřízené zařízení krátce stáhne sběrnici do nízké úrovně (LOW), tj. připojí výstup svého MOSFETu k zemi, čímž překlene pull-up rezistor.

V klidovém stavu drží pull-up rezistor datový vodič v logické jedničce (HIGH).

Přenosová rychlost může dosáhnout až 16,3 kbps.

K dispozici je také režim overdrive, který zvyšuje rychlost komunikace přibližně 10násobně.

Často pro blízké kontaktní připojení různých tokenů (iButton) pro přístupové systémy, identifikaci, spínání.

Každé zařízení má unikátní 64bitový identifikátor (někdy nepřepsatelný, někdy ano).

Když spojení na delší vzálenosti, pak typicky kroucená dvojlinka (Twisted-pair),

ale lze prakticky cokoli, co má dva vodiče, ideálně s co nejnižším odporem, dle vzdálenosti.

Brána M-Bus (master) vysílá jinak než měřidlo (slave).

Napětí na sběrnici je cca 36 V DC (H = logická 1), které při vysílání brány klesá na 24 V (L = logická 0).

Měřidla naopak vysílají změnou velikosti odebíraného proudu, jedno měřidlo má klidový odběr 1,5 mA (signalizuje tak logickou 1), zatímco nárůst na 11 až 20 mA udává logickou 0.

Na jedné sériové sběrnici může být připojeno až 250 stanic.

Délka segmentu může být až 1000 m při rychlosti 300 baudů nebo

350 m při maximální rychlosti 9600 baudů.

Varianta pro místní průmyslové sítě například uvnitř areálu

Běží přes sériovou linku (např. RS-485 nebo RS-232)

Data jsou kódována binárně (kompaktní a efektivní)

Přesná časování – důležité pro spolehlivost komunikace

Vhodné pro prostředí s malým rušením a krátkými vzdálenostmi

Běží přes Ethernet/IP sítě

Data jsou přenášena v rámci TCP/IP rámců

Vyšší flexibilita, možnost připojení přes LAN/WAN

Lepší pro vzdálené monitorování, moderní SCADA a IoT aplikace

Použití tam, kde netřeba přesné časování

Infračervený přenos: LED (nebo laserová LED) ve vysílači, fotodioda v přijímači.

Rychlosti (IrDA 1.0) jsou 2400 bps—​115,2 kbps.

Až 1 Gbps (Giga-IR)

Krátký dosah, vyžaduje přímou viditelnost

Bezdrátová (rádiová) komunikace v pásmu 2.4 GHz

Dosah: 10 / 50 / 100 / až 400 m (verze 5)

Propojuje PC, mobily, sluchátka, tiskárny, myši

Nevyžaduje přímo viditelnost

Částečně kompatibilní s NFC, viz dále

Bluetooth Low Energy je od Bluetooth 4.0 úsporná varianta určená hlavně pro senzory, majáky, nositelnou elektroniku a ovládací prvky.

Pracuje v pásmu 2,4 GHz na 40 kanálech; povinná je fyzická vrstva LE 1M, volitelné jsou rychlejší LE 2M a LE Coded s delším dosahem.

Zařízení může vysílat krátká advertising data bez spojení nebo navázat spojení rolí central a peripheral.

Aplikační data se obvykle organizují pomocí služeb a charakteristik protokolu GATT.

BLE není totéž co Bluetooth Classic; obě varianty mohou podporovat takzvaná dvourežimová zařízení. Bluetooth Mesh je samostatné síťové řešení nad BLE.

Radio Frequency Identification

Původně jako chytrá náhrada čárového kódu (barcode) na zboží, kdy je možná identifikovat nejen typ výrobku (a výrobce), ale i každý kus.

Operuje se v různých frekvenčních pásmech podle toho, co dovoluje regulativa v dané zemi.

EPC Electronic Product Code jako 96bitové unikátní číslo na RFID čipu:

přiděluje se centrálně výrobcům, každý obdrží svou číselnou řadu,

až 268 milionů výrobců (28 bitů, identifikace výrobce),

každý 16 milionů druhů výrobků (24 bitů, pro třídy),

v každé třídě prostor pro 68 miliard sériových čísel (36 bitů, pro kusy výrobků).

Pasivní UHF tag s kódem EPC se připevní na kus, balení, karton nebo paletu.

Pevné čtečky u bran a dopravníků nebo ruční terminály načtou více tagů bez přímé viditelnosti.

Mezivrstva odfiltruje opakovaná čtení a přiřadí událost ke konkrétnímu místu a procesu.

Informační systém, například podle standardu EPCIS, zaznamená co, kdy, kde, proč a jak se se zbožím stalo.

Využití zahrnuje příjem a expedici, inventuru, dohledatelnost šarží, ochranu proti záměně a automatické doplňování skladu.

Tag obvykle nenese celou kartu výrobku: identifikátor odkazuje na podrobná data v podnikovém nebo sdíleném systému.

Jednotlivé kusy (výrobky, ale třeba i klíče/čipy pro otvírání dveří) jsou označeny pomocí tagů (tags, labels),

čtečka RFID je obousměrným radio-vysílačem-přijímačem označovaným také jako interrogator, - čtečka pošle signál tagu a přijme od něj odpověď,

v případě aktivního RFID tagu může tag periodicky vysílat i sám (musí být pak vybaven baterií)

LF systémy pracují nejčastěji v oblasti 125—​134,2 kHz.

Mají krátký dosah, zpravidla centimetry až desítky centimetrů, a nižší přenosovou rychlost.

Relativně dobře snášejí blízkost vody a biologických tkání.

Použití: identifikace zvířat, imobilizéry automobilů a jednoduché přístupové systémy.

HF RFID pracuje na 13,56 MHz; do této rodiny patří i technologie NFC.

Typický dosah je od několika centimetrů do přibližně jednoho metru podle standardu, antény a výkonu čtečky.

Použití: bezkontaktní karty, knihovny, identifikace předmětů a NFC aplikace.

Vazba je převážně magnetická, proto jsou antény čtečky a tagu obvykle tvořeny cívkami.

UHF RFID používá podle regionu přibližně 860—​960 MHz.

Pasivní tagy lze za vhodných podmínek číst na vzdálenost několika metrů a ve větších skupinách.

Použití: logistika, skladové inventury, evidence majetku, výrobní linky a maloobchod.

Dosah silně ovlivňuje orientace antény, okolní kov, kapaliny, povolený vysílací výkon a regionální kmitočtové pásmo.

Near-Field Communication vznikl rozšířením a vylepšením RFID,

realizuje komunikaci na velmi krátkou vzdálenost (do 4 cm), výjimečně u specifických standardů do 1,5 m,

pracuje v pásmech 13,56 MHz na ISO/IEC rádiovém rozhraní,

s přenosovými rychlostmi od 106 kbit/s do 424 kbit/s,

je definován mezinárodními standardy ISO/IEC 14443, japonským (Sony) JIS X 6319 pod názvem FeliCa a ISO/IEC 15693